非对称混合梁斜拉桥单向坡龙口跨中合龙关键技术

2021-03-27张文龙

中国港湾建设 2021年3期

张文龙

（中交二航局第四工程有限公司，安徽芜湖 241000）

1 工程概况

国内某跨海大桥主桥为半漂浮单侧非对称混合梁斜拉桥，长961 m，南边跨钢箱梁跨径分别为（60+198）m，北边跨混凝土箱梁跨径分别为（49+58+61）m，跨中535 m为钢箱梁结构，钢混结合段位于跨中距北塔8.5～12.5 m范围（见图1）。里程桩号K13+168.000（主桥起点桩号）—K13+660.000（纵坡最高点桩号），坡度为1.5%，其中主跨中心桩号K13+603.5，距离最高点56.5 m，跨中合龙段位于坡度为1.5%的单向坡区段。K13+660.000—主桥终点桩号K14+129.000，该段坡度为-1.0%。南北岸跨中单悬臂各17片梁段，跨中合龙段钢箱梁长4 m，含风嘴顶板全宽40.5 m，不含风嘴顶板宽34 m，中心线处梁高3.204 m，起吊重量81.3 t，为扁平流线型结构。跨中悬臂吊装前，需完成南边跨钢箱梁及北边跨预应力混凝土梁的施工内容。南边跨钢箱梁位于山顶，设存梁支架，滑移就位后于跨中梁段悬臂拼装前定位焊接成整体[1]。本桥的设计基准温度为20℃，合龙高程误差控制在±15 mm以内，相对高程误差控制在2 mm以内，轴线误差控制在±10 mm以内[2]。

图1 跨海大桥主桥桥型布置图（m）Fig.1 Layout plan of main bridge of cross-sea bridge(m)

2 合龙方案选择

本桥龙口仅4 m，较国内其他类似桥梁长度短，受桥面吊机的局限性，采用北岸侧桥面吊机起吊合龙段，南岸侧配重加载的方案。南岸桥面吊机完成17号段钢箱梁吊装后，保持相对工况不动。北岸桥面吊机完成17号段钢箱梁吊装，前移11.25 m，提升系统后退1.75 cm，到达龙口位置。南岸侧距悬臂端8.25～15.75 m的范围内（7.5 m）压载800 kN。

配切合龙和顶推合龙是两种目前大跨度钢箱梁跨中合龙的常规方案。顶推合龙时先解除塔梁临时固结，顶推变位后不宜恢复，且局部稳定性控制难，但对成桥后的结构体系影响较小。配切合龙一般接近设计基准温度下优选，对施工组织要求较高。南边跨钢箱梁先于跨中梁段吊装前定位焊接，预先设定了2 cm弹性变形压缩量。若按顶推合龙方案提前解除临时约束，经计算，南塔塔偏11 cm（纵桥向），南侧17号梁段单元产生4.3 cm（向上）的竖向变形，12.3 cm（小里程侧）的纵桥向变形。合龙段厂内制造顺桥向每边加长10 cm，累计加长20 cm，结合模型计算，最终选用配切合龙作为合龙方案。

3 龙口状态

3.1 线性状态

通过对南、北岸17号梁段的轴线、里程、标高联测分析，高程：南侧悬臂端当前误差为+4 mm、北侧悬臂端当前误差为-2 mm，整个悬拼过程控制较好，合龙后两侧相对误差可控制在10 mm以内。轴线：南、北两侧轴线相对误差和绝对误差均控制在10 mm以内，满足合龙口轴线误差控制要求，将继续观测其变化情况，合龙时根据监测数据，通过对拉的方式微调。里程：南侧悬臂端整体偏短32 mm、北侧偏短14 mm，里程偏差将通过合龙段（合龙段预留配切长度20 cm）调整。

3.2 温度及龙口变化

龙口状态受温度影响较大，需严密监控，每2 h观测1次，连续观测48 h。采集的测量数据，采用回归分析的方法找到预计合龙时温度对应的合龙段长度。观测主要内容包括大气温度，梁顶、底板温度，合龙口顶底板宽度、轴线、高程等[3]。2020年8月14日15:00—16日上午5:00，对龙口连续观测，15日凌晨3:00测得梁顶最低温度24.4℃，15日15:00测得梁顶最高温度37.7℃，温差13.3℃。21:00—次日凌晨3:00为温度较为稳定时间段，龙口变化趋势也较稳定，为梁段进入龙口并完成合龙的最佳时间段。

两侧的悬臂长度达到265.5 m，当温度变化时，合龙口宽度会发生相应改变。根据计算，每升温或降温5℃合龙口缩短或拉长3.2 cm。

本桥合龙时间选择在23:00—次日凌晨3:00，该段时间梁面温度变化区间30～25℃，根据上述温度变化关系可知，龙口的宽度间隙可增加20 mm，满足合龙段入口合龙的条件。

4 龙口敏感性分析

4.1 配重敏感性分析

悬臂端配重是常见的一种龙口高程调整方式，经计算，受南北岸非对称混合梁的影响，南、北岸17号梁段配重100 kN竖向变形分别为2.2 cm和2 cm。

4.2 合龙轴线调整分析

合龙口轴线调节则通过安装在两侧悬臂梁段顶板上的辅助设施完成[4]。辅助设施由临时吊耳、钢丝绳、10 t手拉葫芦及卸扣组成。调整时4个葫芦斜向对拉，将两侧钢梁轴线调整至同一轴线上[4]。临时吊耳：4个，位于第1道横隔板上，距离钢梁边缘75 cm，与钢梁顶板四边角焊缝连接，每条焊缝长度150 mm，焊脚尺寸10 mm；钢丝绳：直径≥20 mm，长度36 m；手拉葫芦：10 t、4个。经理论计算，每施加5 t对拉力，轴线位移量南岸侧约11 mm、北岸侧约8 mm。

本桥中跨主梁横桥向刚度相对较小，轴线调整较易完成。本桥轴线偏差仅8 mm，通过5 t葫芦对拉即可满足要求，且调整完毕不设劲型骨架。

4.3 悬臂转角对合龙口宽度影响分析

考虑本桥合龙段处于单向坡区，北岸位于上坡段，为保证梁段顺利进入龙口，将合龙段设“八”字形结构起吊。考虑合龙段吊装对北岸17号梁段将发生竖向位移，因节段的前端点与后端点竖向位移不一致，17号梁段将产生转角变化，继而影响悬臂前端钢箱梁底缘的纵桥向位置。根据模拟计算分析结果，起吊合龙段时北岸17号梁段前端竖向位移为18.47 cm、后端竖向位移14.69 cm，发生的转角为0.144 5°，换算至合龙口底板宽度将增加7.8 mm。

5 主梁应力分析

本桥实测合龙期间温差13.3℃，合龙后计算温差按15℃考虑。合龙后升温15℃，主梁上缘应力为-17.4 MPa、下缘应力为-17.3 MPa。

码缝期间主梁按持续升温+15℃考虑，经计算可得，中跨合龙缝处的温度内力为轴力约-29 256.5 kN、竖向弯矩约816.0 kN·m，其中轴力主要由均匀升温引起，竖向弯矩主要由钢箱梁顶板升温引起，上述荷载即为临时锁梁装置所需承受的荷载。

6 主要技术参数

合龙段配切时的温度应接近合龙温度，避免温度影响[5]。配切长度影响值计算为：ΔL=εt×L×（Tmax-Tmin）=1.2×10-5/℃×4 m×1℃=0.048 mm（配切与合龙时温差为1℃）。合龙段位于单向坡区段，对北岸17号梁段端部尺寸调整（见图2），满足“八”字口的要求，保证合龙段顺利起吊。

图2 合龙口调整图Fig.2 Closure adjustment diagram

为节约合龙段切配时间，对合龙段南岸侧端面的预留长度按表1在龙口监测前配切。合龙段在切配前南、北两侧顶底板均较加工图预留0.1 m切边长度，合龙段总切配前长度为4.2 m。

根据监测数据及南岸侧切边情况，合龙段北岸侧端面按表2切配，单边焊缝间隙预留8 mm。

表1 南塔侧端面切配控制点数据Table 1 Control points data for cutting and matching of south tower side end face

表2 北塔侧端面切配控制点数据Table 2 Control points data for cutting and matching of north tower side end face mm

吊装初步就位后，梁段精确匹配，用600 mm×500 mm×20 mm的大码板，顶板8处，底板6处，将梁段空间位置定位牢固。龙口锁定后，小码板局部码平，对称同步进行[6-8]。码缝期间按最高升温+15℃计算，轴力约-29 256.5 kN。码板受拉或受压30 100 kN＞29 256.5 kN，可满足要求。

7 体系转换

本桥合龙施工组织见表3。合龙锁定后，按升温10℃及恒载作用的计算工况，南塔临时固结将产生合计纵桥向力约9 800 kN（见表4、表5），可能会出现安全隐患，故在当晚低温解除临时固结。临时固结采取气割在下横梁处拆除，在合龙段大码板焊接完毕，合龙口锁定后即刻开始（准备不少于8把割刀）。先割断临时固结位置的钢绞线，然后在临时固结中间合适位置将其割断。单个临时固结需割除的长度为5 274 mm，根据经验，单个临时锚固需约2.5 h解除，满足要求。

表3 施工组织一览表Table 3 List of construction organization

表4 南塔临时固结反力（合龙后恒载+升温10℃）Table 4 Temporary consolidation reaction force of south tower(constant load after closing+10℃heating)

表5 北塔临时固结反力（合龙后恒载+升温10℃）Table 5 Temporary consolidation reaction force of north tower(constant load after closure+10℃heating)

8 效果分析

主桥合龙段于2020年8月17日凌晨完成定位安装，与原设定的施工计划仅慢30 min，NJ17梁段与SJ17梁段轴线相对误差2 mm，合龙段（里程桩号K13+601.5）与理论高程误差4 mm，实现高精度合龙。9月4—6日对部分斜拉索索力调整，使主桥线形更加平顺，调索后的主桥整体线形及斜拉索索力监测情况如图3、图4所示。